《化工设计概论》PPT课件.ppt

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1、化工设计,主讲:陈安国,化工设计课程简介,一、课程性质与认识二、课程内容及知识点三、课程的教学目的,专业必修课,40学时,2.5学分,一、课程性质与认识,闭卷考试,二、课程内容及主要知识点,第一章 化工设计概述（设计概念、内容与程序;工艺设计文件的内容与格式）第二章 工艺流程设计（流程设计的任务、步骤与方法；PFD图及PID图的设计与绘制）第三章 物料衡算与能量衡算（化工流程的物料衡算与能量衡算方法）第四章 设备工艺设计及选型（设备选用原则;非定型设备设计的主要程序;设备图的设计与绘制）,第五章 化工厂布置(厂址选择;总图及车间布置;设备布置图的设计与绘制)第六章 配管工程设计(管道设计基础;

2、管道布置原则与要求;管道布置图的设计与绘制)第七章 非专业设计(公用工程的设计内容与规范;安全防火设计规范与原则;设计概算及技术经济评价)第八章 工艺设计实例(工艺设计内容、步骤及设计说明书的编制）,三、课程的教学目的,了解国内外有关化工工艺设计、化工厂设计的先进理念掌握化工工艺设计的内容、步骤及方法,主要参考书,1娄爱绢等编著化工设计上海：华东理工大学出版社，2002 2黄 璐王保国编化工设计北京：化学工业出版社，2001 3王红林陈 砺编化工设计广州：华南理工大学出版社，2001 4倪进方主编化工过程设计北京：化学工业出版社，1999 5于遵宏等编著化工过程开发上海：华东理工大学出版社，1

3、996 6刘道德等编著化工厂的设计与改造长沙：中南工业大学出版社，2005 7上海医工设计院化工工艺设计手册北京：化学工业出版社，1986 8 化学工程手册编辑委员会化学工程手册北京：化学工业出版社，1986 9黄英主编.化工过程设计.西安:西安工业出版社,2005,一、化工设计的概念与种类二、化工厂设计的内容与程序三、化工工艺设计的内容与步骤四、工艺包设计五、国家和行业设计政策与规范六、设计文件,第一章 化工设计概述,一、化工设计的概念与种类,（一）化工设计的概念（二）化工设计的种类（三）化工过程开发程序及设计类型（四）工程设计的概念及实施阶段,化工过程设计（核心）,化工工艺设计（核心）,化

4、工设计是泛称，在不同场合可分别指化工厂设计、化工过程设计、化工工艺设计，其内涵最广，但意义不明确。如化工厂设计包括：,公用工程设计、外管设计等,非工艺部分设计,化工厂房建筑、结构设计总图设计.等,化工过程设计是针对化工工艺设计的深入、配套与完善。,（一）化工设计的概念,化工过程设计的主要目标：确定最佳流程及最佳操作条件，达到最优化投入产出比。在定量计算的基础上，结合专家的经验，考虑安全、健康、环保的因素，确定出一个综合的设计方案。,我国化工设计院，原来的专业部门进行了相应的改革调整。,原工艺专业部,工艺专业部（大部分为化学工程与工艺专业人员）,工艺系统专业部（少量化学工程与工艺专业人员，大量其

5、它辅助专业）,工艺专业部：侧重化工工艺设计工艺系统专业部：侧重化工过程设计中除了化工工艺设计以外 与工艺有关的内容,工艺专业部：侧重出PID图、PFD图,工艺系统专业部：侧重出UID图、UFD图,PID（Process Instrument Diagram）带控制点的工艺仪表管道流程图,PFD（Process Flowsheet Diagram）过程物料流程图,UID（Utility Instrument Diagram）公用工程仪表管道流程图,UFD（Utility Flowsheet Diagram）公用工程物料流程图,其中，各种图纸随设计的深入，分成多个版本。,PID图样,PFD图样,U

6、FD图样,工艺专业部与工艺系统专业部之间，在设计工作过程中有许多需要交流的条件、文件（“条件表”），有发出条件的主导专业，有接收“条件表”的接收专业。,我国化工设计院的专业种类,化学工程与工艺,化工机械,自动化及仪表,总图,概预算（工程经济）,建筑、结构、暖通、给排水、强弱电,热工、环境工程（环保）、工业炉,因此，可以说：,化工设计是化工工程基本建设中的一环,是将化学工程、化工工艺和开发性实验的研究成果，用工程语言（图纸等）表达出来，使之建设成为一个工业化的生产装备。其本质是把化学反应变成一个装置工程的设计。,在屏幕上修改设计图,化工设计室,化工生产装备的概念,化工生产装备是由各种单元设备以系

7、统的、合理的方式组合起来的工程整体。,（二）化工设计的种类,根据项目性质分为两类型,新建项目设计,技改项目设计,根据适用程度分为两种类型,通用设计（复用设计）,“因地制宜”设计,概念设计（Conceptual Design)中试设计(Pilot-plant Design)基础设计(Foundation Design),根据开发程序分为两大类-四种类型,开发（过程中的）设计,工程设计(Engineering Design),（三）化工过程开发程序及设计类型,1、化工过程开发的基本步骤,2、化工过程开发中的设计类型,1、化工过程开发的基本步骤,实验性研究,过程研究,工程设计,第一次可行性研究,施工

8、,小试,模型试验,中试,工程设计研究,概念设计,第二次可行性研究,基础设计,第三次可行性研究,信息研究,信息研究,主要内容:调研市场对开发产品的需求量,开发产品对国民经济其他部门的关系,市场前景,收益估算,社会效益及环境污染情况等 评估科研水平、社会条件及完成的可能性,收集评价的资料:,各种已工业化的生产方法及新方法的专利文献资料，如生产过程、流程、主副反应、反应条件、反应产率、产品及副产品规格、主要设备类型、反应动力学及有关的相平衡数据；主副产品、原料及中间品的物化和热力学数据。,实验性研究,内容:工艺方法（原料和生产线路等）研究 工艺条件（如转化率、选择性、主副反应 的特点、催化剂、反应条

9、件、产品分离方式等)物料平衡、能量平衡和生产成本估算 对原料、半成品和产品质量的研究 产品用途及产品应用质量的研究,目的:,对可能的若干方案进行初步筛选，以能明确地提出一个较理想的流程，同时获得必要的物性数据,第一次可行性研究,即在信息和实验研究的基础上 对技术、经济、环境综合的可行性研究,技术的可行性研究是指原料线路和 技术线路的可行性、可靠性和先进性,原料线路的可行性和可靠性：只要技术上可行，经济上合理，一般都采用粗原料或劣质原料；必须有足够的、可靠的来源,技术线路的可行性是指生产安全、操作简便、操作弹性大、生产环节少、不易出现故障等；技术线路的先进性是指各种技术指标如转化率、选择性、能耗

10、、设备生产强度和劳动生产率的高低。,第一次可行性研究,即在信息和实验研究的基础上 对技术、经济、环境综合的可行性研究,经济的可行性研究，主要是指投资、人力、生产费用等支出同产品销售的收入作比较，估计可能获得的经济效益和投资回收情况。,环境的可行性研究，就是评估“三废”治理程度及其对环境的影响,1、化工过程开发的基本步骤,小试:小型工业模拟试验的简称,小试应完成以下任务:,验证开发方案的可行性和完整性，确定影响因素。明确过程原料线路，认识所涉及化学反应的特性和影响因素；确定工艺过程、单元操作和工艺条件，完成催化剂的筛选和表征；确定产品分离和精制方案，以及在此基础上完成物料衡算和能量衡算。测定和收

11、集需要的各种物理化学数据 建立产品分析方法和过程监测方法 对生产过程排放的“三废”提出治理的初步方案,模型试验:对某些重要过程作放大的工业模拟试验,主要内容:考察化工过程运行的最佳条件 考察设备内传热、传质、物料流动 与混合等工程因素对化工过程的影响 观察设备放大后出现的放大效应寻找产生放大效应的原因，测定放大所需的数据或判据等,冷模试验：只研究过程的物理规律，不研究化学反应。可采用物理性质与实际工业生产物料相近的惰性物试验。热模试验：用实际生产物料并实际操作条件进行的试验,中试:介于小试和生产之间的试验,主要任务:,验证小试条件，解决放大问题 考察可达到的生产指标 研究“三废”处理，生产安全

12、性问题 示范操作，培训技术工人 提供产品大样，满足市场开发工作的需要 提出带控制点的工艺流程图、工艺参数等,第二次可行性研究:方案论证,内容同第一次可行性研究 对技术、经济的分析比较准确 可进一步估算工厂规模、投资费用、成本及经济核算等,第三次可行性研究:有时称为初步设计或扩初设计的审定着重在工程投资和经济效益方面作出详细的评价,2、化工过程开发中的设计类型,（1）概念设计（2）中试设计（3）基础设计,2、化工过程开发中的设计类型,（1）概念设计 为工程研究的一个环节，是在应用研究进行到一定阶段后，按未来的工业装置规模所进行的假想设计。,其工作内容：以投产两年后市场需求为依据,提出建立工业化规

13、模生产的方案。包括原料和产品规格、工艺流程、流程叙述、物料和能量衡算、消耗定额、设备清单、生产控制、三废处理、人员组成、投资及成本估算等工作。讨论实现工业化的可能性。对可进入中试的项目，提出中试方案。提出对将来进行基础设计的意见。,概念设计的目的：,对开发项目进行初步的经济评价，以确定技术路线的先进性和可靠性；开发项目需改正之处和小试需要补充的试验内容和课题；有无必要建立中试装置，确定中试的规模、范围和必需通过中试解决的问题和取得的数据。,2、化工过程开发中的设计类型,（2）中试设计 当某些开发项目不能采用数学模型法放大，或者其中有若干研究课题无法在小试中进行，一定要通过相当规模的装置才能取得

14、数据或（和）经验者才需进行中试。,中试设计内容基本上和工程设计相同，但由于规模小，若施工安装力量较强，可以不出管道、仪表、管架等安装图纸。,2、化工过程开发中的设计类型,（3）基础设计,基础设计的内容应包括将建设的生产装置的一切技术要点，合格的工程设计人员应能根据基础设计完成一个能顺利投产，达到一定产量和质量指标的生产装置。有关基础设计的内容国家化工部已有规定。,是一个完整的技术软件，是整个开发阶段的研究成果.,2、化工过程开发中的设计,工程设计是将基础设计转化为工业装置建设所需的施工图。,（四）工程设计概念及实施阶段,三阶段设计（初步设计、扩大初步设计、施工图设计）两阶段设计（扩大初步和施工

15、图设计）一阶段设计（施工图设计）,工程设计的实施阶段（设计阶段）,问题：在什么情况下采用三阶段设计、两阶段设计或一阶段设计？,重要的大型企业和使用较复杂的技术时,可按初步设计、扩大初步设计（扩初设计）及施工图设计三个阶段进行。技术较成熟的大中型工厂或车间的设计,可按扩大初步设计和施工图设计两阶段设计。技术上比较简单、规模较小的工厂或车间的设计，可直接进行施工图设计，即一个阶段的设计。,问题：初步设计、扩大初步设计、施工图设计的主要任务和成品是什么？,初步设计主要是根据设计任务书,对设计对象进行全面的研究,寻求在技术上可能、经济上合理的最符合要求的设计方案。主要确定全厂性的设计原则、标准和方案,

16、水、电、汽的供应方式和用量,关键设备的选型及产品成本、项目投资等重大技术经济问题。其成品是初步设计说明书（详见化工厂初步设计文件内容深度规定HG/T20688-2000）。,扩大初步设计是根据已批准的初步设计，解决初步设计中的主要技术问题，使之进一步明确并具体化。其设计成品是扩大初步设计说明书及工程概算书。施工图设计是根据已批准的扩大初步设计，结合建厂地区条件，在满足安全、进度及控制投资等前提下开展施工图设计，其成品是详细的施工图纸和必要的文字说明及工程预算书（详见化工工艺设计施工图设计文件内容和深度统一规定HG/T20519-92）。,化工工艺设计厂址的选择与总图运输设计土建设计公用工程（水

17、、电、热、采暧通风）设计自动控制设计机修、电修等辅助车间设计外管设计工程概算与预算,二、化工厂设计的内容和程序,化工厂整套设计的内容,一般的工作程序是以基础设计为依据提出项目建议书，经上级主管部门认可后写出可行性研究报告，上级批准后，编写设计任务书，进行扩大初步设计，后者经上级主管部门认可后进行施工图设计。,化工厂整套设计的程序,设计程序的具体步骤:,（9）进行扩大初步设计；,设计前期工作,主要包括项目建议书、可行性研究、设计任务书。设计阶段工作,包括初步设计、扩初设计、施工图设计。设计后期工作,主要包括施工配合，参加试产、竣工，设计总结，设计回访和参加项目后评价。,根据上述程序，化工厂设计的

18、工作程序可分为三大段工作：,定义：将收集到的有关项目的资料（信息）整理成文，由某地区、部门、企业向上级主管部门提出的申请项目投资立项的文件。主要内容：详见原化工部计发（1992）995号化工建设项目建议书内容和深度的规定（修订本）中的有关规定（教材P4页13个主要章节）。,1、项目建议书,1.项目建设目的和意义，即项目提出的背景和依据，投资的必要性及经济意义；2.市场初步预测分析；3.产品方案和生产规模；4.工艺技术方案,包括原料路线、生产方法和技术来源；5.原材料、燃料和动力的供应；6.建厂条件和厂址初步方案；7.公用工程和辅助设施初步方案;8.环境保护；9.工厂组织和劳动定员估算；10.项

19、目实施初步规划；11.投资估算和资金筹措方案；12.经济效益和社会效益的初步评价;13.结论与建议.,想投资该项目的主体，将它前期收集的所有的资料信息，经过加工（初步定量计算，并结合专家经验）处理，按以上主要章节整理成一文本。其目的就是要打动上级决策者，让决策者下决心批准该项目。,项目建议书的实质:,定义：可行性研究是对拟建项目的技术、经济和工程、安全、环保等问题进行全面分析及多方面比较，对其是否应该建设及如何建设作出论证和评价，为上级机关投资决策和编制、审批设计任务书提供可靠的依据。主要内容：详见原化工部计发（1997）426号化工建设可行性研究报告内容和深度的规定（修订本）和中国石油化工集

20、团公司1997345号石油化工项目可行性研究报告编制规定 中的有关规定（教材P4-5页）。,2、可行性研究,1.总论。包括项目名称、进行可行性研究的单位、技术负责人、可行性研究的依据、可行性研究的主要内容和论据、评价的结论性意见、存在问题和建议等，并附上主要技术经济指标表。2.需求预测。包括国内外需求情况预测和产品的价格分析。3.产品的生产方案及生产规模。4.工艺技术方案。包括工艺技术方案的选择、物料平衡和消耗定额、主要设备的选择、工艺和设备拟采用标准化的情况等内容。5.原材料、燃料及水电汽的来源与供应。6.建厂条件和厂址选择布局方案。7.公用工程和辅助设施方案8.节能。包括能耗指标分析、节能

21、措施综述、单项节能工程等问题。9.环境保护及安全卫生。10.工厂组织、劳动定员和人员培训。11.项目实施规划。12.投资估算和资金筹措。13.经济效益评价及社会效益评价。14.结论。包括综合评价和研究报告的结论等内容。,3、编制设计任务书,可行性研究呈报给上级主管部门,当被上级主管部门认可后,便可根据化工厂初步设计文件内容深度规定HG/T20688-2000编写设计任务书,以作为设计项目的依据。设计任务书的主要内容：1.项目设计的目的和依据；2.建设规模、产品方案、生产方法或工艺原则；3.矿产资源、水文地质、原材料、燃料、动力、供水、运输等协作条件；4.资源综合利用和环境保护,三废治理的要求；

22、5.建设地区或地点,占地面积的估算；6.防空、防震等的要求；7.建设工期与进度计划；8.投资控制数；9.劳动定员控制数；10.经济效益、资金来源、投资回收年限。,初步设计主要内容：PID图物料及热量核算对土建、公用工程提出要求对总图和车间布置提出要求和建议工程概算初步设计说明书（详见化工厂初步设计文件内容深度规定HG/T20688-2000）。,4、初步（扩初）设计,在初步设计的基础上,针对工程的关键技术（即关键设备、关键工艺工段），补充以下文件：关键设备设计图纸关键设备的布置图关键工艺工段操作说明扩初设计说明书,扩初步设计主要内容:,注意：对于新设备、新技术的创新过工程,扩初设计是十分必要的

23、。,工艺线路与生产方法的确定 工艺流程方框图,物料衡算 物料平衡图、原料用量、消耗定额、三废排放表,工艺流程图设计 带控制点工艺流程图,设备工艺计算及选型 设备一览表、非标设备条件图,设计任务书,能量衡算 能量消耗综合表,概 算 概算书、投资数及材料表,编制设计说明书 扩初设计说明书,车间布置设计 车间平面及立面布置图,自动控制 控制系统图,扩大初步设计的工作程序和内容,5、施工图设计,施工图设计的任务是根据扩大初步设计审批意见，解决扩大初步设计阶段待定的各项问题，并以它作为施工单位编制施工组织设计、编制施工预算和进行施工的可靠依据。施工图设计的主要工作内容是在扩大初步设计的基础上，完善流程图

24、设计和车间布置设计，进而完成管道配置设计和设备、管路的保温及防腐设计。,6、设计代表工作,在扩大初步设计与施工图设计两个阶段，有大量的各专业人才参加,到设计文件编制完毕,工作转入了基本建设和试车阶段的时候,只需少量各专业设计代表参加了。各专业设计代表的任务就是参加基本建设的现场施工和安装（必要时修正设计）,建成化工装置后要参加试车运转工作，使装置达到设计所规定的各项指标要求。,方案设计：生产方法和生产工艺的选择,即确定方框工艺流程图;工艺计算,包括物料计算、热量计算、设备设计及选择;流程图设计,即PFD图及PID图的设计与绘制;车间布置;配管工程设计;提供设计条件,即向非工艺设计提供设计条件;

25、编制概算书及设计文件,三、化工工艺设计的内容和步骤,工艺设计的内容和步骤（一）:,第一步,流程组织(过程合成)第二步,物料计算及热量计算第三步,设备设计及选择第四步,PFD图及PID图的设计与绘制第五步,车间流程的平立面布置设计第六步,主要材料及概(预)算(工艺部分)第七步,对流程的经济评价第八步,编制工艺设计说明书,工艺设计的内容和步骤（二）:,工艺设计不是一蹴而就的,要做许多回合的优化调整。内循环(第一步第七步第二步第八步)优化:在流程结构不变的前提下,通过修改调整流程内部的部分设备参数和操作参数，来对流程进行优化设计。外循环(第一步第七步第一步第八步)优化:在内循环优化不能满足优化目标的

26、情况下，重新做流程组织，对流程结构进行大变动，而达到对流程优化设计的目的。内循环优化经常用于老流程的改造，并对实验室研究开发有指导意义。外循环优化经常用于新厂设计，对多个流程方案进行分析比较。二层循环优化设计，工作量巨大，手工设计很难，完成要靠计算机辅助设计。设计阶段不同，工艺设计的深度也有相应的变化。,注意:,定义：工艺包是专用的技术名词,特指某个化工产品生产技术方面的全部技术文件的总和,是一个化工厂工艺的核心技术文件。,四、工艺包设计,来源,国内外高等院校、研究院所国外专利商,工艺包的范围工艺的详细说明（原料、公用工程、产品规格、操作条件及流程说明,控制方案,物料性质等)物料及能量核算PI

27、D图设备一览表(设备规格、材质、数量等）布置建议化验、检修要领等从工艺包的内容来看,基本达到了工艺初步设计的深度,我国化工设计院基本都是从接受工艺包开始,直到做项目过程的扩初设计和施工图设计。,工艺包的主要内容：,决定一个具体的化工过程，除考虑其技术上的可行性外,还必须符合国家的政治、经济政策方针。诸如资源、环境、能源、劳动保护、工业布局等因素,并使之获得最佳的经济效益,同时,化工设计还必须遵循国家和行业设计相关的政策和规范。国家和行业设计相关的政策,如环保政策体现绿色化设计先进理念,节约资源、节能降耗政策体现经济合理的大批量化、生产装备现代化理念。,五、国家和行业设计政策与规范,化工厂初步设

28、计文件内容深度规定HG/T20688-2000化工工艺设计施工图设计文件内容和深度统一规定HG20519-92化工装置设备布置设计规定HG20526-9管道仪表流程图设计规定HG20559-93石油化工企业设计防火规定HG20559-93工矿企业总平面设计规范GB501871993 石油化工管道布置设计通则SH3012-2000,国家和行业的设计规范的举例：,由前面的讨论可知,化工厂设计的基本任务是:将一个系统（一个工厂、一个车间或一套装置等）的基建任务以图纸、表格及必要的文字说明(说明书)，即把技术装备转化为工程语言,然后通过基本建设的方法把这个系统建设起来,并生产合格产品。这些图纸、表格及

29、说明书的绘(编)制就是设计文件的编制。,六、设计文件的编制,化工厂整套初步设计说明书，按化工厂初步设计文件内容深度规定HG/T20688-2000）中的规定进行编制。下面着重介绍工艺设计文件的内容和格式。,设计说明书说明书的附图和附表,（一）工艺初步设计文件的编制,工艺初步设计文件,装置概况及特点：综述装置设计规模、车间（装置）组成概况、生产方法、流程特点及技术先进性、相关生产工艺和工程的国内外水平，运行可靠性和经济性。设计依据（设计任务书、建设单位提供或调研取得的有关资料）本设计规模及产品方案原材料规格、来源及水电汽供应情况生产制度，包括年操作日、生产班数本设计的主要节能措施与实际效果本设计

30、的“三废”治理及环境保护的措施与实际效果,工艺初步设计说明书的编制,1.总论,按生产顺序即简明扼要又清晰具体地依次叙述物料流经的设备和生成物的去向。叙述设备时，要注明位号。写出主、副反应式，穿插在文字中叙述。说明过程主要操作控制指标。说明产品及原料的贮存、运输方式及有关的安全措施和注意事项。,工艺初步设计说明书的编制,2.生产流程简述,3.工艺计算概述及结果（物料、能量热能衡算）4.主要设备选择说明及计算5.原材料、动力（水电气汽）消耗定额及消耗表（用教材P11-12表1-8、9.10表达）6.主要生产控制指标（用生产控制分析表格表达，包括取样地点、分析项目、分析方法、控制指标、分析次数栏目）

31、7.机构及定员（用教材P12表1-11表达）8.“三废”排放量（用教材P12表1-12表达）9.产品成本估算（用表格表达）10.安全卫生及劳动保护11.概算12.存在的问题及解决的意见,PFD图PID 图设备设计条件图设备布置图设备一览表物流表,工艺初步设计说明书的附图和附表,图纸目录设计说明（包括工艺、管道设计说明）图纸、附表,工艺施工图设计文件（见P16表1-16）,（二）工艺施工图设计文件的编制,设计施工图是工艺的最终成果，应按化工工艺设计施工图文件内容和深度统一规定HG20519-92）中的规定进行编制。,第一章 化工设计概述思考题,1.什么是化工设计？试举例说明之。2.化工设计的类型有哪些？各类设计成品是什么？3.化工过程开发的基本步骤有哪些？4.化工设计阶段有哪些？在什么情况下采用三阶段设计、两阶段设计或一阶段设计？5.化工厂设计的主要程序是什么？各程序有哪些主要内容？6.化工工艺设计的程序和内容是什么？7.工艺包有哪些主要内容？8.举例说明化工工艺设计有哪些主要设计规范？9.工艺初步设计文件有哪些？其说明书的主要内容是什么?10.工艺施工图设计文件有哪些？其说明书的主要内容和图纸有哪些?,